Elementarteilchen und wie wir sie bei LHC sehen können · E i t LHC i CERN Manfred Jeitler,...

Elementarteilchen undund

wie wir sie bei LHCsehen können

Manfred Jeitler

Institut für Hochenergiephysik der

Ö t i hi h Ak d i d Wi h ft

1

Österreichischen Akademie der Wissenschaften

Das Wasserstoffatom

e-PhotonaustauschPhotonaustausch

P+

Gebundener Zustand - Elektromagnetismus

Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 2

besteht aus zwei „up“-Quarks und einem „down“-Quark!Der Wasserstoffkern – das Proton

u zw „up Qu u m „ w Qu

uElektrische Ladung 2/3

2/P+

duu

2/3

d- 1/3

Elektrische Abstoßung im Proton überwiegt!Wie halten Neutronen und Protonen im Atomkern zusammen?


Die starke Kraft (Kernkraft)

3 Farbladungen (Farbe dient hier nur 3 Farbladungen8 Gluonen

(Farbe dient hier nur als anschauliches Analogon)

uu gggMessbare Objekte sind farbneutral sind farbneutral. Es existieren somit keine freien quarks –“confinement”

d

confinement . (Nobelpreis 2004 an D. Gross, H.D. Politzer, and F. Wilczek)

d


u Pion +2/3

ggg

d 1/3

Drei Bindungsmöglichkeiten: (q q q) = (Proton, Neutron, …)(q q q) = (Antiproton, Antineutron, …)und (q q) = (Pionen, …)


Antiteilchen:Haben dieselbe Masse wie das dazugehörige TeilchenHaben dieselbe Masse wie das dazugehörige Teilchen,aber umgekehrte Ladungen („additive Quantenzahlen“)

e- e+

Elektron Positron

u u

up anti-up


KräfteKräfteStarke

SchwacheKraft

W- u Z-Bosonen

StarkeKraft

Gluonen

ElektromagnetischeKraft W+

W u. Z Bosonen

gg

KraftPhoton W

Z0gg

W-

Zgggg

ggg

Gravitation – Graviton? extrem schwach im Vergleich zu den anderen drei Kräften


Gravitation Graviton? extrem schwach im Vergleich zu den anderen drei Kräften,in Beschleunigerexperimenten vernachlässigbar

heutige Situation: das Standardmodell der Elementarteilchen

L d

WechselwirkungenFermionen (Spin ½) Leptonen Quarks

Ladung stark

Starke Kraftg0 +2/3

p Q

e u c t

-1 Elektromagn. Kraft

g

-1/3e d s b

Schwache KraftW, Z

d

schwach

Schwerkraft?d

uu

du

d

schwach

Kräfteteilchen = Bosonen(Spin 1) +1 0

Proton Neutron


Baryonen Higgs – Boson?h

Das Standardmodell kann n rDas Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das gHiggs-Boson (sonst hätten nämlich die Elementarteilchen keine Masse was im Widerkeine Masse, was im Wider-spruch zur Beobachtung steht). Es wurde allerdings noch nicht gefunden.

Die Suche nach dem Higgs-Teilchen ist daher eine der

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Peter Higgs vor einem großen Aufgaben der heutigen Physik.

ggLHC-Detektor


Supersymmetrie

Der Weg zur allumfassenden Theorie?

Symmetrien spielen in der modernen Physik (wie in der Kunst) eine zentrale Rolle, da sich in ihnen die Grundprinzipien der Natur

Die größte mögliche Symmetrie der Naturgesetze wird

p pmanifestieren.

g g y gSUPERSYMMETRIE - kurz SUSY - genannt. Sie ist eine Symmetrie zwischen Materieteilchen (Fermionen) und Kräfteteilchen (Bosonen) und bietet eine Möglichkeit Kräfteteilchen (Bosonen) und bietet eine Möglichkeit, unser heutiges Wissen über die Grundstruktur der Materie (das so genannte Standardmodell) in eine


größere, umfassendere Theorie einzubetten.

SUSY Teilchen können spektakuläre Signaturen durch gKaskadenzerfälle aufweisen.

Di h h di i h T il h d Die Suche nach diesen neuen supersymmetrischen Teilchen - und nach so manchen anderen, vermuteten oder noch völlig unbekannten Erscheinungen - gehört zu den vorrangigen Aufgaben der großen E i t LHC i CERN


Experimente am LHC im CERN.

Aufbau eines LHC-Experiments (hier: „CMS“)

D h d D k d b lfö d h h lDie verschiedenen Detektoren sind zwiebelförmig ineinandergeschachtelt.

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CMS: schematischer Aufbau


Montage der Endkappen

Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 1422 Jan 08

Komponenten eines LHC-Experimentes


Myon-Detektoren

Einbau des „Tracking“-Detektors


Installation des Strahlrohres


Installation des „Pixel“Installation des „Pixel“--DetektorsDetektors


... vor dem Schliessen


... geschlossen !... geschlossen !


DANKE FÜR IHREDANKE FÜR IHREAUFMERKSAMKEITAUFMERKSAMKEIT !!AUFMERKSAMKEITAUFMERKSAMKEIT !!

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EXTRAEXTRA

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Fragen der Kosmologie an die Teilchenph sik

Teilchenphysik und Kosmologie

Fragen der Kosmologie an die Teilchenphysik: Woraus besteht das Universum? Was ist die Dunkle Materie?

Woher kommt die Dunkle Energie?Woher kommt die Dunkle Energie? Weshalb gibt es im Universum mehr Materie als Anti-Materie? Antwort auf diese großen Fragen kann vermutlich die Physik Antwort auf diese großen Fragen kann vermutlich die Physik

des ganz Kleinen geben – die Elementarteilchenphysik

Dunkle Materie

Atome (Bekannte Materie)

3% Dunkle Materie23%

Dunkle Energie


Einige ‘heiße’ Fragen der Teilchenphysik(die zur Zeit experimentell untersucht werden)

• Welcher Natur sind die ‘Dunkle Materie’ und ‘Dunkle Energie’ des Universums?

(die zur Zeit experimentell untersucht werden)

• Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie?

• Warum haben Neutrinos eine so kleine Masse? Warum haben Neutrinos eine so kleine Masse?

• Gibt es eine Vereinigung aller Kräfte (‘Grand Unification’), einschließlich derGravitation?

• Wie bekommen die Teilchen eine Masse? (durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Teilchen? Welche Masse hat das Higgs-Teilchen?)

Warum sind die Massen der bekannten Teilchen so unterschiedlich?

• Gibt es eine allumfassende (verborgene) Symmetrie wie Supersymmetrie(SUSY) � ’Spiegelwelt’ zu den bekannten Teilchen.


• Gibt es noch weitere Dimensionen, D > 4 ? ( Stringtheorie, …)

Das Standardmodell der ElementarteilchenMaterie Antimaterie

c2/3 u t c t-2/3 u

s

dung -1/3 d b s b1/3 d

-eEl.

Lad

0 e 0 ee

--1 e-

e

-

+ +

e++1

Gen.

Gen.

Gen.

Gen.

Gen.

Gen.


2.

1. 3.

2.

3.

1.

Das Standardmodell ist nun komplett, außer dem ominösen Higgs-Teilchen.

1964 entwickelte der britische Physiker Peter Higgs einen formalen Mechanismus 1964 entwickelte der britische Physiker Peter Higgs einen formalen Mechanismus, durch den zunächst masselose Teilchen durch Wechselwirkung mit einem Hintergrundfeld (dem Higgs-Feld) massiv werden.

Das Higgs-Boson ist für die Teilchenphysik vor allem deshalb so wichtig, weil es – bisher –di i f hst b k t d i t ll k sist t E klä d fü ist i di K ftt il h die einfachste bekannte und experimentell konsistente Erklärung dafür ist, wie die Kraftteilchen eine Masse haben können – denn die grundlegende Theorie erfordert masselose Kraftteilchen, da sie ansonsten mathematisch nicht funktioniert.

Di W nd Z B s n n h b n b s in ht ß M ss !Die W- und Z-Bosonen, haben aber sogar eine recht große Masse!

Der Higgs-Mechanismus erklärt nun, wie eigentlich masselose Kraftteilchen durch Wechselwirkung mit dem Higgsfeld eine Masse erhalten können. Weiter gelingt so die Vereinheitlichung von l ktr m n tisch r und sch ch r W chs l irkun d b id uf nur in rundl nd elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung, da beide auf nur eine, grundlegende

"elektroschwache" Wechselwirkung mit (ursprünglich) lauter masselosen Kraftteilchen zurückgeführt werden können. Da viele spezielle Eigenschaften einer solchen elektroschwachen Wechselwirkung sich experimentell sehr gut bestätigt haben, gilt das Standardmodell mit einem Higgs-Teilchen als durchaus gut abgesichertdurchaus gut abgesichert.

Sollte das Higgs-Teilchen existieren, dann wird es mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit am LHC entdeckt werden!


g W m

10. September 2008: Erste Teilchen aus dem Beschleuniger

Protonstrahl (~2x109 p) trifft auf Kollimator ~150 m vor dem Detektor


LHC-Detektoren: Datenraten

Bunch crossing rate: 40Mhz g25ns

20 Kollisionen / crossing = O(Pb/s)20 Kollisionen / crossing = O(Pb/s)

O(100Mb/s) = O(Pb/yr) = 105 DL-DVD/yr

pro Event: 1-2Mb (Tracks, Calo-Daten, etc.)


Urknall am LHC?


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